涡轴发动机自适应机载实时性能估计技术分析

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1．1研究背景及意义航空发动机工作在高温、高速、强振动、大应力的恶劣环境下，发动机的工作状态经常变换，承受变载荷，对安全性与可靠性要求极高。由于发动机的制造、工艺水平和材料，以及后期的使用、维护和管理水平的限制，设计制造和使用维修成本高昂，发动机故障在飞行故障中占有相当大的比重，且常常因发动机故障导致飞行中的灾难性事故。此外，发动机由于长期使用，也会发生不可避免的蜕化，一旦蜕化到一定程度后，发动机就失去了经济性和执行任务的能力，为了增强飞机飞行的可靠性和任务执行力，发动机在运行一段时间后就需要进行维秽1’3】。目前，军机的

2、维修主要是采用以可靠性为中心的维修(R七liabil姆C∞缸edMail她m扯e，RCM)思想。在这些常规维修中，发动机的维修更换费用非常巨大，占到整个维修费的3啦40％以上。在这种情况下，以状态为基础的预防性维修(C∞diti佃．B鹤cdMaillte嘧n∞)即视情维修(OnC伽伍6∞Majn勺锄an∞)的概念被提出，视情维修是以系统的实际情况为基础，根据具体的情况制定具体的维修策略，在有效地控制故障风险的同时，充分利用剩余寿命，降低维修成本。要达到视情的要求就必须了解发动机的运行状况，掌握其变化规律，对关键部件实时状态监测与故障诊断睁71。状态监测和故障诊

3、断的主要任务有以下三个方面：故障检测(判断是否存在故障)、故障隔离(判断故障发生的具体位置)和故障辨识(评估故障的严重程度)。在发动机实时状态监测与故障诊断方面主要包括气路分析和性能趋势跟踪、滑油和碎屑监控、振动监控和使用寿命监控四个领域。在航空发动机总故障中，气路故障约占90％以上，其维修费用占发动机总维修费用的60％，因此气路分析和性能趋势跟踪方面是现在研究最多的领域f引。气路分析和性能趋势跟踪的方法有很多种，但主要思想是一样的，即发动机发生故障或者蜕化后，发动机将偏离额定工作状态，此时发动机气路部件各截面的传感器测量参数(温度，压力，燃油油量，几何面积等

4、)将会发生变化。气路分析和性能趋势跟踪的目的就是从这些变化的参数中得到发动机健康情况。气路部件故障诊断的方法发展可以分为三个主要分支：基于模型的故障诊断技术(如最小二乘法【9】，卡尔曼滤波器的故障诊断方法【协151)，基于数据驱动的故障诊断技术(如神经网络方法【扪，遗传算法【晦171，支持向量机【181，模糊逻辑算法【l明)和基于信息融合的方法阻211。其中基于模型的故障诊断方法由于能够深入系统本质的动态性质和实时诊断能力，因此该方法在工程研究中得到实际应用。本课题主要利用卡尔曼滤波器构建涡轴发动机自适应模型，使得利用额定特性建立的发动机模型能够在线实时修正从

5、而准确反映发动机真实的工作状态和健康情况，为发动机故障诊断涡轴发动机自适应机载实时性能估计技术研究系统和优化控制做准备。1．2国内外研究现状90年代初，美国国防部和NASA联合推动实施了综合高性能涡轮发动机技术(珊P耵’T)计划【22】，该计划提出了通过建立航空发动机性能监视和故障诊断系统，将发动机制造、维护费用降低35％。该计划成功结束后，美国国防部、能源部、NASA、工业界联合发起了多用途经济可承受先进涡轮发动机(Ⅵ她TE)计划。该计划对航空发动机健康管理系统功能做了明确的说明，提高发动机性能的同时改善发动机的经济可承受性，降低发动机周期寿命。在该计划中，

6、健康管理被视为支柱技术进行重点开发∞】。同时，NASA在飞行安全计划(AvSP)中，将基于模型的控制与故障诊断以及先进传感器等技术作为实现AysP的关键，提出了在25年内将现有飞行事故发生率降低90％的目标，作为发动机健康管理的的一个组成部分，基于模型的控制与故障诊断(MBCD)在该项目中得到深入研究，ⅫBCD包括实时机载发动机模型和控制结构，模型通过一定的在线参数估计算法来估计出非额定工作状态下发动机性能，传感器测量偏移和执行机构的偏移。这一机载模型能够实时跟踪发动机健康状况，又能将健康参数作为发动机反馈控制系统的一个组成部分，通过健康参数在非额定工况下随发

7、动机推力进行直接控制【摊25】。2005年，NASA、美国国防部和联邦航空局成立专门的课题合作组，进行推进系统控制与健康管理项目(PCHM)的研究，内容涉及传感器、故障诊断与预测、控制与故障诊断集成等方面【2叼。N八SA目前还在开展一项综合系统健康管理计划(ISHM)，对于系统及其子系统(如动力、控制系统)的实时性能监视、故障诊断以及完成任务的能力评估方面提出了要求，联合攻击机JSF的计划项目中ISHM中综合利用了基于模型、数据驱动和基于知识规则的三种故障诊断方法【27删。2008年，NAsA格林中心开始制定推进系统诊断方法评估策略(ProDmmS)计划，旨在

8、规范各种故障诊断方法，为飞行器综合管理